(왼쪽부터)이준혁 박사, 진형진 교수.(사진=부산대 제공)

한·일 공동 연구팀이 상대적으로 낮은 온도에서 산소를 흡수하고 방출할 수 있는 새로운 산화물 결정을 개발하는 데 성공했다. 이 결정은 낮은 온도에서 산소를 주고받으면서도 구조적 안정성을 유지해 에너지 효율을 극대화할 수 있어 차세대 연료전지, 스마트 창문, 전자기기 등에 획기적인 전환점을 가져올 것으로 기대된다.

부산대학교는 물리학과 진형진 교수 연구팀이 마치 폐처럼 산소를 들이마시고 내뱉는 기능을 안정적으로 수행하는 새로운 금속 산화물 소재를 개발했다고 26일 밝혔다.

연구팀은 스트론튬(Sr), 철(Fe), 코발트(Co)를 조합해 만든 금속 산화물이 단순한 가스 환경에서도 반복적으로 산소를 흡수·방출할 뿐만 아니라, 이 과정에서 재료가 분해되지 않으며 안정적인 구조를 유지한다는 사실을 입증했다.

연구를 주도한 진형진 부산대 교수는 “이 결정은 마치 폐처럼 작동해, 필요에 따라 산소를 들이쉬고 내뱉는 독특한 기능을 갖는다”며 “이러한 산소 제어 능력은 고체 산화물 연료전지(SOFC) 등에서의 응용 가능성이 매우 크다”고 설명했다.

소재의 산소 제어는 최소한의 배출로 수소에서 전기를 생산하는 고체 산화물 연료전지와 같은 기술에 필수적이다. 또한 전기 스위치처럼 열을 전달할 수 있는 열 트랜지스터나 날씨에 따라 열 흐름을 조절하는 스마트 윈도우에서도 중요한 역할을 한다.

지금까지 이러한 산소 제어가 가능한 대부분의 소재는 너무 약하거나 지나치게 높은 고온 등 극한 조건에서만 작동했다. 그러나 이번에 개발한 새로운 소재는 특히 기존 SOFC가 작동하는 극한 조건(예: 800도 이상) 대신, 상대적으로 온화한 환경에서도 산소를 안정적으로 조절할 수 있다는 점에서 큰 주목을 받고 있다. 기존의 문제였던 재료의 취약성과 비가역성도 극복했다.

연구팀은 산소가 다시 재료에 주입될 때, 결정 구조가 원래 형태로 완전히 되돌아오는 가역성을 실험을 통해 증명했다.

공동 저자인 히로미치 오타 일본 홋카이도대 전자과학연구소 교수는 “이 소재는 실시간으로 스스로 조절하는 ‘스마트 재료’ 개발의 핵심 요소가 될 것”이라며 “청정 에너지는 물론, 전자기기, 환경 친화 건축 소재 등 다양한 분야에서 응용 가능성이 열려 있다”고 덧붙였다.

이번 연구 성과는 향후 탄소 중립을 위한 신재생 에너지 기술에 실질적인 기여를 할 수 있는 기반 기술로, 관련 산업계와 학계의 높은 관심이 예상된다.

이 같은 성과는 부산대 물리학과에서 박사 학위를 받은 이준혁 박사(현 화학연구원 소속)가 제1저자, 부산대 진형진 교수가 교신저자로 수행한 논문 ‘Selective reduction in epitaxial SrFe0.5Co0.5O2.5 and its reversibility(에피텍셜 SrFe0.5Co0.5O2.5 내에서의 선택적 환원 및 가역성)’에 소개됐다. 본 연구에는 포항가속기연구소 김영학 박사와 가천대 윤상문 교수 연구팀에서 참여했다.

해당 연구는 저명한 국제학술지 『네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)』 8월 15일자에 게재됐다.

이 연구는 과학기술정보통신부의 한국연구재단 중견연구자사업, 교육부의 한국기초과학지원연구원 국가연구시설진흥센터 인프라 고도화 사업, 한국연구재단의 한일협력연구 등의 지원을 받아 수행됐다.